KR101658874B1 - 광 산란 패턴을 이용한 박테리아 분별 장치 - Google Patents

광 산란 패턴을 이용한 박테리아 분별 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광 산란 패턴을 이용한 박테리아 분별 장치에 관한 것으로, 광원으로부터 송출된 광을 전달하는 광섬유; 상기 광섬유로부터 전달된 광의 폭을 조절하는 렌즈; 상기 렌즈를 거쳐 박테리아 집락을 통과한 광이 투과되는 선형 편광기; 및 상기 선형 편광기를 통과한 광의 산란 패턴을 촬상하는 촬상부를 포함한다. 이러한 본 발명은 하나의 박테리아 집락에 대해 편광에 따라 여러 형태의 고유 광 산란 패턴들을 용이하게 확보할 수 있기 때문에 박테리아의 분별 정확도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

광 산란 패턴을 이용한 박테리아 분별 장치{Apparatus for discriminating bacteria types using optical scattering patterns}
본 발명은 미지의 박테리아를 빠른 시간 내에 높은 정확도를 가지고 분별하는 광 산란 패턴을 이용한 박테리아 분별 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 하나의 편광기와 편광조절기를 사용하여 편광 간섭이 발생된 광 산란 패턴을 획득하고, 이를 이용하여 박테리아를 분별하는 장치에 관한 것이다.
박테리아는 음식이나 동물, 사람 중에 항상 존재하며, 인간에게 감염될 경우 열과 구토, 패혈증, 식중독 등을 유발할 수 있다. 그 중에서도 대장균(escherichia coli)은 사람이나 동물의 장내에 다수 존재하는데, 이는 대변을 통해서나, 가축의 도살 및 도축 시 외부로 유출될 수 있다.
이러한 대장균은 장 속에서는 보통 병원성을 나타내지 않지만, 장 이외의 부위에서는 복막염, 패혈증 등을 일으킬 수 있으며, 장 속에서도 병원성 대장균의 경우에는 전염성 설사를 일으키기도 한다.
이외에도 리스테리아균(listeria) 같은 경우는 즉석식품, 유제품, 육류에서 잘 성장하며 이것은 패혈증, 뇌막염을 발생시키고 사망률은 20-25%에 달한다. 또한, 살모넬라균(salmonella)은 저온에서도 잘 성장하는 특징이 있고, 가금육과 계란이 주요 감염원이며, 감염이 되면 설사, 열 또는 복통을 수반하는 장티푸스, 소장 결장염 등의 질병을 유발할 수 있다.
이와 같은 박테리아는 보건분야뿐만 아니라 경제분야에도 악영향을 미칠 수 있는데, 다양한 식품, 식재료 및 식수 등에서 박테리아의 수가 기준치를 초과하는 경우 해당 물품을 모두 회수하는 등의 규제를 받게 되어 경제적 손실을 초래하게 된다.
따라서, 박테리아를 검출 및 분별하는 것은 인간의 건강과 경제적인 측면에서 중요한 부분이라 할 수 있다.
종래의 박테리아 검출 및 분별방법으로는 항체(antibody)를 사용하는 면역적 분석 기술인 면역학적 방법, DNA를 기준으로 하는 분자생물학적 방법, 발광원리를 이용한 분석, 전기저항 분석법 및 광의 산란 패턴을 검출하는 방법 등이 있다.
이 중 기존의 광 산란 패턴을 검출하는 방법은 레이저 다이오드(Laser diode)에서 출력되는 광을 개방된 자유 공간(free space) 상에서 2개의 선형편광기와 박테리아 집락(bacteria colony)에 투과시켜 얻어지는 광 산란 패턴을 이용하는 것이다.
그런데, 이와 같은 종래의 광 산란 패턴 검출 방법은 레이저 다이오드가 빛을 차단되는 촬영부 내에 배치되어 있어 동일한 박테리아 집락에 대해 새로운 산란 패턴을 획득하고자 할 때는 매번 실험 장치를 새로 세팅해야 하는 번거로움이 있다.
또한, 종래의 광 산란 패턴 검출 방법은 레이저 다이오드에서 발생되는 광을 개방된 자유 공간으로 바로 도파시키기 때문에 외부로부터 빛이 쉽게 유입되는 문제가 있었으며, 이는 최종적으로 검출되는 산란 패턴에 영향을 미쳐 박테리아 집락의 고유 산란 패턴을 선명하게 획득하는 것이 곤란하였다.
한국공개특허 제10-2006-0130852호(2006.12.20.)
상기한 문제를 해결하기 위해 본 발명은 광 산란 패턴 촬영 중에도 레이저 다이오드를 자유롭게 위치시킬 수 있고, 레이저 다이오드에서 송출된 광의 편광을 쉽게 조절하여 하나의 박테리아 집락에 대해 다양하고 선명한 광 산란 패턴을 획득하여 박테리아를 쉽고 정확하게 분별할 수 있도록 하는 광 산란 패턴을 이용한 박테리아 분별 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 광원으로부터 송출된 광을 전달하는 광섬유; 상기 광섬유로부터 전달된 광의 폭을 조절하는 렌즈; 상기 렌즈를 거쳐 박테리아 집락을 통과한 광이 투과되는 선형 편광기; 및 상기 선형 편광기를 통과한 광의 산란 패턴을 촬상하는 촬상부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 산란 패턴을 이용한 박테리아 분별 장치를 제공한다.
이때, 상기 광섬유에는 상기 광섬유를 통해 도파되는 광을 편광시키는 편광 조절기가 구비된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 박테리아 분별 장치는 상기 박테리아 집락이 배치되고, 배치된 상기 박테리아 집락의 수평위치를 조절하는 x-y축 스테이지를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 박테리아 분별 장치는 상기 촬상부가 결합되고, 결합된 상기 촬상부와 상기 박테리아 집락 사이의 수직거리를 조절하는 z축 스테이지를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 렌즈를 투과한 광의 폭은 100㎛ ~ 1㎜로 조절되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 편광 조절기는 1/2 파장판 또는 1/4 파장판을 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명은 레이저 다이오드를 자유롭게 배치할 수 있어 실험 장비들을 유연하게 세팅할 수 있으며, 촬영부 밖에 광섬유 편광 조절기를 위치시켜 광 산란 패턴 촬영 중에도 쉽게 빛의 편광을 조절할 수 있는 효과가 있다.
또한, 하나의 박테리아 집락에 대해 편광에 따라 여러 형태의 고유 광 산란 패턴들을 용이하게 확보할 수 있기 때문에 박테리아의 분별 정확도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
도1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광 산란 패턴을 이용한 박테리아 분별 장치의 개략도이다.
도2는 광원으로부터 송출된 광이 박테리아 집락을 투과하기 전의 모습과 투과한 후의 산란 패턴을 촬영한 것이다.
도3은 박테리아 집락들을 평판 도말법으로 배양한 전체 모습과 하나의 집락만 확대하여 촬영한 것이다.
도4는 3개의 박테리아 집락에 대한 산란 패턴으로 (a), (c), (e)는 선형 편광기 없이 촬영한 영상이고 (b), (d), (f)는 동일한 박테리아 집락들에 대해 선형 편광기를 설치하여 촬영한 영상이다.
도5의 (a) 내지 (h)는 하나의 박테리아 집락에 대해 각각 0 °, 45 °, 90 °, 135 °, 180 °, 225 °, 270 °, 315 °의 방위각으로 조절된 편광에 따른 산란 패턴을 촬영한 영상이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 첨가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 실시될 수 있음은 물론이다.
도1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광 산란 패턴을 이용한 박테리아 분별 장치의 개략도이다.
이하, 도1을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광 산란 패턴을 이용한 박테리아 분별 장치(1)를 설명한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광 산란 패턴을 이용한 박테리아 분별 장치(1)는 광원(10), 광섬유(20), 편광 조절기(30), 렌즈(40), 샬레(50), x-y축 스테이지(60), 선형 편광기(70), 촬상부(80), z축 스테이지(90) 및 출력부(100)를 포함한다.
구체적으로 광원(10)은 가시광선의 파장 범위의 광을 출력하는 레이저 다이오드로 이루어질 수 있으며, 바람직하게 광원(10)으로부터 출력되는 광은 레이저 빔, 즉 532㎚ 파장의 비저블 레이저(532㎚ visible laser)로 구현된다.
광섬유(20)는 광원(10)으로부터 송출된 광을 수광하고, 수광된 광을 렌즈(40)로 전달한다.
이때, 광섬유(20)는 모드별로는 단일 모드 광섬유, 다중모드 계단형 광섬유, 다중모드 언덕형 광섬유, 대구경 다중모드 광섬유 중 어느 한 종의 광섬유로 구현될 수 있다.
또한, 재질별로 구분할 때 광섬유(20)는 실리카계 광섬유, 불소계 광섬유, 희토류계 광섬유, 폴리머계 광섬유, 연유리 광섬유 중 어느 한 종의 광섬유로 이루어질 수 있다.
또한, 이외에도 광섬유(20)는 편광 유지 광섬유, 비선형 광섬유, 분산천이 광섬유, 분산 보상 광섬유, 비영분산 분산 천이 광섬유 중에서 선택되는 어느 하나의 광섬유로 이루어지는 것도 가능하다.
이와 같은 광섬유(20)에는 광원(10)으로부터 송출되어 광섬유(20)를 통해 도파되는 광을 편광시키는 편광 조절기(30)가 구비된다.
여기서, 편광 조절기(30)는 U형 브라켓에 1/2 파장판 또는 1/4 파장판이 연결된 구조로 이루어질 수 있다.
이때, 광원(10)과 광섬유(20) 및 편광 조절기(30)는 렌즈(40), 선형 편광기(70), 촬상부(80) 등이 배치되는 촬영 영역에 가까이 위치할 필요가 없으므로 비교적 자유롭게 배치할 수 있다.
박테리아 집락의 광 산란 패턴을 촬영할 때 촬영 영역은 외부에서 유입되는 빛을 차단한 상태를 유지하여야 하는데, 광섬유(20)의 말단을 통해 광을 촬영 영역의 내부로 조사하도록 하고 편광 조절기(30)를 촬영 영역의 외부에 배치함으로써 광 산란 패턴 촬영 중에도 촬영 영역의 상태를 변경시키지 않고 용이하게 편광을 조절할 수 있게 된다.
한편, 광원(10)으로부터 송출된 광이 광섬유(20)로 도파되는 과정에서 빛의 손실(loss)이 발생하게 되는데, 박테리아 집락의 광 산란 패턴을 얻는 과정에서는 낮은 광 세기(optical intensity)를 사용하여 박테리아 집락의 손상과 촬상부(80)의 손상을 방지하는 것이 요구되기 때문에 이러한 빛의 손실은 크게 문제되지 않는다.
박테리아 집락의 광 산란 패턴을 확보하기 위한 실험에 있어서 일반적으로 광 세기는 대략 50㎼를 사용하는데, 이러한 광 세기의 미세한 조절은 광원(10)의 전류를 0 ~ 2.5A 까지 조절하여 맞춰 줄 수 있다. 이렇게 광 세기가 조절된 광을 광섬유(20)로 도파시킨 후 편광 조절기(30)를 이용하여 빛의 편광을 임의로 조절할 수 있다.
렌즈(40)는 편광 조절기(30)에 의해 편광된 후 광섬유(20)로부터 조사되는 광의 폭을 조절하는 역할을 한다.
이러한 렌즈(40)는 양면 볼록 렌즈(bi-convex lens)로 구현될 수 있으며, 렌즈(40)에 의해 조절되는 광의 폭은 박테리아 집락의 크기에 맞게 100㎛ ~ 1㎜로 조절되는 것이 바람직하다.
이처럼 광의 폭을 조절하는 이유는 박테리아 집락의 크기와 광의 폭이 일치할 때 깔끔하고 정확한 산란 패턴을 얻을 수 있기 때문이며, 박테리아 집락의 크기에 맞춰진 광이 박테리아 집락의 중심에 맞추어져 투과하는 과정에서 박테리아 집락 내부구조에 의하여 빛의 산란이 발생하게 되는 것이다.
박테리아 집락은 샬레(50) 등과 같이 광이 투과할 수 있는 투명한 재질의 실험용기에 수용된다.
박테리아 집락의 광 산란 패턴을 선명하게 획득하기 위해서는 광원(10)으로부터 조사된 광의 중심과 박테리아 집락의 중심이 일치되어야 하는데, 이와 같이 광과 박테리아 집락의 중심을 일치시키기 위해 x-y축 스테이지(60)가 구비된다.
x-y축 스테이지(60)에는 박테리아 집락이 수용된 샬레(50)가 배치되고, x-y축 스테이지(60)에 의해 배치된 박테리아 집락의 수평위치가 조절된다. 이때, x-y축 스테이지(60)는 제어모듈을 컴퓨터에 연결하여 마이크로미터 단위로 정밀하게 수평위치를 조절할 수 있도록 구현하는 것이 바람직하다.
렌즈(40)의 후단에는 선형 편광기(70)가 배치되는데, 렌즈(40)를 거쳐 x-y축 스테이지(60)에 의해 위치가 조절된 박테리아 집락의 중심을 투과한 광은 선형 편광기(70)를 통과한다.
박테리아 집락은 복굴절 성분이 포함되어 있기 때문에 박테리아 집락을 투과하는 빛의 편광이 부분적으로 달라지게 된다. 복굴절은 편광에 대해 서로 다른 굴절률을 느끼는 것인데, 이와 같이 복굴절 성분에서 편광이 달라진 빛이 선형 편광기(70)를 투과하면서 편광 간섭된 광 산란 패턴이 발생하게 되는 것이다. 이러한 편광 간섭은 결과적으로 광 산란 패턴의 공간적인 빛 파워에 변화를 주게 된다.
여기서 상기한 편광조절기(30)의 방위각을 다르게 하여 편광을 조절하면 박테리아 집락 내부의 복굴절 성분에 의해 또 다른 편광이 나오게 되므로 편광 간섭이 다르게 발생하여 광 산란 패턴의 빛 파워 변화가 이전과 달라지게 되는데, 이러한 과정을 거치면서 하나의 박테리아 집락에 대해 다양한 광 산란 패턴을 획득할 수 있게 되고, 다수 확보한 광 산란 패턴을 이용함으로써 더욱 정확하고 신속하게 박테리아를 분별할 수 있게 되는 것이다.
촬상부(80)는 선형 편광기(70)를 통과한 광의 산란 패턴을 촬상하는 것으로, CCD 카메라와 같은 이미지 촬상 장치로 구현될 수 있다.
이러한 촬상부(80)는 z축 스테이지(90)에 결합되어 박테리아 집락과의 수직거리를 조절할 수 있다.
z축 스테이지(90)는 수동으로 조작하도록 구현되거나, 상기한 x-y축 스테이지(60)와 같이 컴퓨터 등의 장치에 의해 전자적으로 조작되도록 구현될 수 있다.
촬상부(80)에 의해 촬영된 박테리아 집락의 광 산란 패턴 이미지 정보는 LCD 모니터 등으로 구현되는 출력부(100)로 전송되어 관측자가 광 산란 패턴을 육안으로 확인할 수 있다.
도2는 광원으로부터 송출된 광이 박테리아 집락을 투과하기 전의 모습과 투과한 후의 산란 패턴을 촬영한 것이다.
구체적으로 도2의 (a)는 박테리아 집락을 담은 샬레(50)에서 532㎚ Visible laser가 박테리아 집락이 없는 부분을 투과한 후 촬영한 영상이며, (b)는 532㎚ Visible laser가 박테리아 집락을 투과한 후 촬영한 영상이다.
도2의 (a)와 (b)를 비교해보면 단순히 동그란 모양의 빛이 박테리아 집락을 거치면서 독특한 산란 패턴을 만들어 낸다는 것을 확실히 알 수 있다.
도3은 박테리아 집락들을 평판 도말법으로 배양한 전체 모습과 하나의 집락만 확대하여 촬영한 것이다.
구체적으로 도3의 (a)는 박테리아 집락을 담은 샬레(50)의 전체 모습으로 하얀 점들은 박테리아 집락이고, 주변의 노란 바탕은 배지(culture medium)이다. 또한, 도3의 (b)는 박테리아 집락 하나를 확대한 그림으로 배지에서 24 시간 배양하여 257㎛ 이내의 크기인 것을 촬영한 것이다.
배지에서 박테리아 균을 배양 시간에 따라 박테리아 집락의 크기를 조절할 수 있으며, 배양 시간이 길어질수록 박테리아 집락의 크기도 커지게 된다.
도4는 3개의 박테리아 집락에 대한 산란 패턴으로 (a), (c), (e)는 선형 편광기 없이 촬영한 영상이고 (b), (d), (f)는 동일한 박테리아 집락들에 대해 선형 편광기를 설치하여 촬영한 영상이다.
이때, (a)와 (b), (c)와 (d), (e)와 (f)는 각각 동일한 박테리아 집락에 대해 촬영한 영상이다.
여기서, (a), (c), (e)와 같이 선형 편광기(70)가 없을 때의 박테리아 집락의 광 산란 패턴들은 대체로 단순한 동심원들이 다중으로 배치되어 있는 모양을 나타내지만, 선형 편광기(70)가 배치된 (b), (d), (f)는 부분적으로 광 세기의 차이가 보이며 특히 중심부에 밝고 어두운 부분이 교차하여 클로버 패턴이 보이게 된다.
이 중심부의 클로버 패턴은 광 세기와 빛의 크기를 적절히 설정하고 빛의 중심과 박테리아의 중심이 잘 맞추어진 상태에서, 편광 조절기(30)로 특정한 방위각을 맞추고 난 후 촬영한 경우에 얻을 수 있다. 이렇게 편광을 조절할 경우 기존의 산란 패턴과는 다른 특징을 가지는 산란 패턴을 얻을 수 있다.
도5의 (a) 내지 (h)는 하나의 박테리아 집락에 대해 각각 0 °, 45 °, 90 °, 135 °, 180 °, 225 °, 270 °, 315 °의 방위각으로 조절된 편광에 따른 산란 패턴을 촬영한 영상이다.
도5의 각 영상을 살펴보면 상술한 바와 같이 방위각의 조절에 의해 편광이 달라지면서 밝게 보이는 영역과 어둡게 보이는 영역이 많이 달라지는 것을 볼 수 있다.
그리고 (a) 와 (e), (b) 와 (f), (c) 와 (g), (d) 와 (h) 는 각각 180°의 방위각 차이가 있으므로 복굴절이 같아져 비슷한 양상의 산란 패턴이 나오게 되는 것을 알 수 있다.
이와 같이 본 발명의 광 산란 패턴을 이용한 박테리아 분별 장치(1)는 하나의 박테리아 집락에 대해서도 편광에 따라 달라지는 광 산란 패턴을 다수 확보하는 것이 가능하고, 확보한 광 산란 패턴을 이용하여 박테리아의 분별에 활용할 경우 박테리아의 분별을 더욱 신속하고 정확하게 수행할 수 있어 매우 유용하다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 청구 범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1: 박테리아 분별 장치
10: 광원 20: 광섬유
30: 편광 조절기 40: 렌즈
50: 샬레 60: x-y축 스테이지
70: 선형 편광기 80: 촬상부
90: z축 스테이지 100: 출력부

Claims (6)

  1. 광원으로부터 송출된 광을 전달하는 광섬유;
    상기 광섬유에 구비되고 방위각을 조정하여 상기 광섬유를 통해 도파되는 광의 편광을 조정함으로써 하나의 박테리아 집락에 대해 서로 다른 특징을 가지는 복수의 산란 패턴을 획득하기 위한 편광 조절기;
    상기 광섬유로부터 전달된 광의 폭을 조절하는 렌즈;
    상기 렌즈를 거쳐 박테리아 집락을 통과한 광이 투과되는 선형 편광기; 및
    상기 선형 편광기를 통과한 광의 산란 패턴을 촬상하는 촬상부를 포함하고, 상기 편광 조절기는 상기 렌즈, 상기 선형 편광기 및 상기 촬상부가 배치되는 촬영영역 외부에 배치되며, 상기 촬영영역은 상기 광의 산란 패턴의 촬영 시에 빛이 차단된 상태가 유지되는 것을 특징으로 하는 광 산란 패턴을 이용한 박테리아 분별 장치.

  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 박테리아 집락이 배치되고, 배치된 상기 박테리아 집락의 수평위치를 조절하는 x-y축 스테이지를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 산란 패턴을 이용한 박테리아 분별 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 촬상부가 결합되고, 결합된 상기 촬상부와 상기 박테리아 집락 사이의 수직거리를 조절하는 z축 스테이지를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 산란 패턴을 이용한 박테리아 분별 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 렌즈를 투과한 광의 폭은 100㎛ ~ 1㎜로 조절되는 것을 특징으로 하는 광 산란 패턴을 이용한 박테리아 분별 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 편광 조절기는 1/2 파장판 또는 1/4 파장판을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 산란 패턴을 이용한 박테리아 분별 장치.
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